Mapping the neurophysiological Precuneus connectivity in Alzheimer’s Disease patients from group to individual level: a TMS, EEG, and MRI integrated approach

Alzheimer's Disease (AD) is a widely recognized neurodegenerative disorder, yet there remains a pressing need for further understanding of its underlying neurophysiology. While patients exhibit common symptoms and characteristics associated with the condition, there is significant variability among individuals. AD is a neurological disorder that progressively worsens over time, but its progression is not uniform. In some instances, neurodegeneration may advance more rapidly than in others. Consequently, current research primarily focuses on identifying the early stages of the disease as quickly as possible and characterizing each patient's condition individually to optimize treatment strategies aimed at slowing the degenerative process. We proposed an integrative approach to investigate the structural and functional connectivity of the precuneus region in AD patients and their correlation. We collected connectivity data using various advanced imaging techniques, including functional and structural magnetic resonance imaging, diffusion tensor imaging, concurrent transcranial magnetic stimulation, and electroencephalography (TMS-EEG). TMS-EEG recordings were obtained from a nine-point grid reconstructed over the precuneus region to assess functional connectivity more precisely. The signal propagation recorded from these points was then compared with functional and structural connectivity measures at the group level. Our findings indicate that different points within the grid play distinct roles in modifying connectivity in the resting state AD scenario. Furthermore, individual examination of source activation within the nine-point precuneus grid allowed for creating a detailed, personalized profile of activation and connectivity. The evidence shows that the proposed integrated approach successfully described a relationship between the functional and structural connectivity of the Default Mode Network, demonstrating a connection between functionally linked cortical brain regions and the structural pathways that connect them. Moreover, these findings represent groundbreaking evidence in transitioning from group-level to individual brain connectivity characterization.

La malattia di Alzheimer (AD) è una malattia neurodegenerativa ampiamente riconosciuta, ma permane l'urgente necessità di comprendere ulteriormente la sua neurofisiologia sottostante. Sebbene i pazienti presentino sintomi e caratteristiche comuni associati alla condizione, esiste una variabilità significativa tra gli individui. L'AD è un disturbo neurologico che peggiora progressivamente nel tempo, ma la sua progressione non è uniforme. In alcuni casi, la neurodegenerazione può avanzare più rapidamente che in altri. Di conseguenza, la ricerca attuale si concentra principalmente sull'identificazione delle prime fasi della malattia il più rapidamente possibile e sulla caratterizzazione della condizione di ciascun paziente individualmente per ottimizzare le strategie di trattamento volte a rallentare il processo degenerativo. Proponiamo un approccio integrativo per studiare la connettività strutturale e funzionale della regione del precuneo nei pazienti con AD e la loro correlazione. Abbiamo raccolto dati sulla connettività utilizzando varie tecniche di imaging avanzate, tra cui la risonanza magnetica funzionale e strutturale, l'imaging del tensore di diffusione, la stimolazione magnetica transcranica simultanea e l'elettroencefalografia (TMS-EEG). Le registrazioni TMS-EEG sono state ottenute da una griglia di nove punti ricostruita sulla regione del precuneo per valutare la connettività funzionale in modo più preciso. La propagazione del segnale registrata da questi punti è stata poi confrontata con le misure di connettività funzionale e strutturale a livello di gruppo. I nostri risultati indicano che diversi punti all’interno della griglia svolgono ruoli distinti nel modificare la connettività nello scenario AD dello stato rimanente. Inoltre, l'esame individuale dell'attivazione della sorgente all'interno della griglia precuneus a nove punti ha consentito di creare un profilo dettagliato e personalizzato di attivazione e connettività. Le prove mostrano che l’approccio integrato proposto ha descritto con successo una relazione tra la connettività funzionale e strutturale della Default Mode Network, dimostrando una connessione tra regioni cerebrali corticali funzionalmente collegate e i percorsi strutturali che le collegano. Inoltre, questi risultati rappresentano prove rivoluzionarie nella transizione dalla caratterizzazione della connettività cerebrale a livello di gruppo a quella individuale.